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Eine Anleitung zum Methodischen Konstruieren

| Autor/ Redakteur: Dr.-Ing. Stefan Dietz, Julie Zinni / Monika Zwettler

Die Präzisierung der Anforderungen und Ermittlung der Funktionen im Rahmen des methodischen Konstruierens können die Suche nach der besten Lösung bei der Produktentwicklung- und konstruktion vereinfachen.

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Häufig konzentriert man sich während der Produktentwicklung zu früh auf die Detaillierung der Produktidee, die sich als Erstes "aufgedrängt" hat. Nicht immer führt dies zur besten Art der Umsetzung. Methodisches Konstruieren kann hier unterstützen.
Häufig konzentriert man sich während der Produktentwicklung zu früh auf die Detaillierung der Produktidee, die sich als Erstes "aufgedrängt" hat. Nicht immer führt dies zur besten Art der Umsetzung. Methodisches Konstruieren kann hier unterstützen.
( Bild: gemeinfrei / CC0 )

Das methodische Konstruieren verbessert die Konstruktionsqualität gerade bei komplexen Aufgabenstellungen. Jeder Konstrukteur und jede Konstrukteurin sollten diese Methode kennen und abwägen, sie einzusetzen. Häufig konzentriert man sich nämlich während der Produktentwicklung zu früh auf die Detaillierung der Produktidee, die sich als Erstes aufgedrängt hat. Nicht immer führt dies jedoch zur besten Art der Produkt-Umsetzung.

Methodischen Konstruieren erarbeitet viele mögliche Umsetzungen

Das Methodische Konstruieren setzt hier an und hilft eine größere Zahl von möglichen Umsetzungen des gewünschten Produktes zu erarbeiten. Aus diesen Varianten kann dann mit der Nutzwertanalyse die beste Art der Umsetzung ausgewählt werden. Dies gelingt auch, wenn nur wenig Konstruktionserfahrung vorhanden ist. Der vorliegende Artikel stellt beispielhaft die Erarbeitung verschiedener Gesamtlösungen mithilfe dieser Methode anhand eines neu zu konstruierenden Einhand-Türschließsystems an Sitzbadewannen mit bodenebenem Zugang vor. Der Beitrag kann wie eine Anleitung zum Methodischen Konstruieren genutzt werden.

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Erfahrung ersetzt Methodik - Methodik ersetzt Erfahrung

Die Konkurrenzfähigkeit deutscher Unternehmen ist zukünftig bestimmt durch technologisch herausragende Produkte, die kundenindividuell mit flexiblen und leistungsfähigen Produktionsmitteln in höchster Qualität hergestellt werden (Schirrmeister, Warnke & Dreher, 2003). Technologisch herausragende Produkte zu konstruieren, gelingt selbstverständlich eher, wenn eine langjährige Konstruktionserfahrung vorhanden ist. Erfahrung ersetzt dabei Methodik. Jedoch bei sehr großen Projekten und in einem weniger erfahrenen Team wird ein methodenbewusstes, rationales Arbeiten empfohlen (Ehrlenspiel & Meerkamm, 2017). Mithilfe einer Konstruktions- oder Entwicklungsmethodik ergeben sich sogar noch weitere Vorteile (Tabelle 1).

Tabelle 1: Ziele der Konstruktions- oder Entwicklungsmethodik (Ehrlenspiel & Meerkamm, 2017) .
Tabelle 1: Ziele der Konstruktions- oder Entwicklungsmethodik (Ehrlenspiel & Meerkamm, 2017) .
( Bild: Stefan Dietz )

Eine individuelle Anpassung und Auswahl der Methoden sind abhängig vom Produkt, Problem, Bearbeiter und Unternehmen vorzunehmen. Auch die Wichtigkeit, Dringlichkeit und Komplexität des Problems spielen bei der Methodenauswahl eine Rolle (Ehrlenspiel & Meerkamm, 2017).

Grundsätzlich verschafft die Methodische Konstruktion einen gewissen Ausgleich für mangelnde Erfahrung (Ehrlenspiel & Meerkamm, 2017; Pahl, Beitz, Feldhusen, & Grote, 2013). Im Folgenden soll ein kurzer Überblick zu dieser Methode gegeben werden. Anschließend folgt eine Übertragung der Methode auf das zu konstruierende Problem.

Entwicklung und Konstruktion sind Kern der Produkterstellung

Die Phase der Entwicklung und Konstruktion ist der Kern einer Produkterstellung unter Berücksichtigung aller das Produkt beeinflussenden Stellen (Kunde, Vertrieb, Zulieferer, Produktion, Montage bis hin zum Recycling des Produkts, wenn es seinen Zweck erfüllt hat) (Pahl, Beitz, Feldhusen, & Grote, 2013). Während der Entwicklung stellen zweckmäßigerweise Experten für Marketing und Vertrieb sicher, dass das Produkt nicht am Markt, also am Kunden vorbei, entwickelt wird, indem Sie den Kunden frühzeitig in die Entwicklung einbinden. Häufig passiert dies heutzutage über Social Media wie Facebook, Instagram etc.

Der eigentliche Entwicklungsprozess, häufig auch Life Cycle Engineering genannt, kann gemäß Abbildung 1 erfolgen und hat das Ziel das qualitativ funktionierende Produkt von einem Konzept „in ein quantitativ funktionsfähiges, kostengünstig fertigbares, recyclefähiges körperlich gestaltetes Gebilde" zu überführen(Ehrlenspiel & Meerkamm, 2017).

Abbildung 1: Produktgestaltung (nach VDI, 2018)
Abbildung 1: Produktgestaltung (nach VDI, 2018)
( Bild: Stefan Dietz )

Aufgabenstellung präzisieren

Im ersten Schritt ist die Aufgabenstellung zu verstehen und zu präzisieren. Eine wesentliche Grundlage für die Produktentwicklung sind die Anforderungen, die die Vorgaben zum Produkt darstellen (Conrad, 1998), (Abbildung 1). Sollvorgaben oder Wünsche sind hier mit den gewünschten Ausprägungen (auch genannt: Erfüllungsgrade) z.B. in Form von Zahlenwerten aufgelistet. Im Laufe des Entwicklungsprozesses können sich die Anforderungen ändern. Ein ständiges Update aller Beteiligten ist deshalb sinnvoll.

In der Regel wird unterschieden zwischen

  • F = Festforderung
  • I = Intervallforderung
  • Min = Mindestforderung (z.B. Dauer, Gewährleistungsdauer in Monaten)
  • Max = Maximalforderung (z.B. Ausfallwahrscheinlichkeit pro Wartungsperiode in Prozent)
  • W = Wunsch („nice to have“)

Aus unternehmerischer Sicht ist die Unterscheidung nach Kano sinnvoller, wenn auch etwas aufwändiger. Kanos Anforderungen erlauben schon während der Produktentwicklung eine Konzentration auf die Anforderungen, deren Umsetzung am Produkt voraussichtlich zu mehr Umsatz führen wird (Sauerwein, 2000). Für die Praxis sind dabei vier Gruppen wichtig:

  • Basisanforderungen: Zu den Basisanforderungen zählen alle Komponenten, deren Erfüllung der Kunde prinzipiell voraussetzt. Werden die Basisanforderungen nicht erfüllt, wird er sehr unzufrieden sein, eine Übererfüllung honoriert er nicht im positiven Sinn.
  • Leistungsanforderungen: Beim Nichterfüllen von Leistungsanforderungen entsteht Unzufriedenheit. Wenn Leistungsanforderungen übererfüllt werden, steigt die Zufriedenheit des Kunden erheblich.
  • Begeisterungsanforderungen: Werden Begeisterungsanforderungen nicht erfüllt, so wird dies nicht durch schlechte Qualitätswahrnehmung bestraft, ihr Vorhandensein begeistert dagegen den Kunden
  • Rückweisungs-Merkmale führen bei Vorhandensein zu Unzufriedenheit, bei Fehlen jedoch nicht zu Zufriedenheit.

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Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen

Es folgt das Konzipieren: Dies beinhaltet das Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen, die das Produkt haben muss (Abbildung 1), also das Festlegen von (Teil-)Funktionen und deren Zusammenwirken untereinander. Für jede Teilfunktion werden dann mithilfe des Morphologischen Kastens Lösungsprinzipien (Teillösungen) gesucht (Pahl et al., 2013). Die Kombination dieser verschiedenen Teillösungen (für jede Teilfunktion wird nur eine Teillösung ausgewählt) ergibt eine Konstruktionsvariante als eine Gesamtlösung von vielen. Letztlich findet im Rahmen der "Bewertung und Auswahl des Lösungskonzepts"(Abbildung 1) eine Bewertung aller Varianten zum Beispiel mit einer Nutzwertanalyse statt und das endgültige Lösungskonzept wird ausgewählt.

Entwerfen: das finale Lösungskonzept

Es schließt sich das Entwerfen an: Diese ausgewählte Variante, das finale Lösungskonzept wird in realisierbare Module, zum Beispiel Bauteile, gegliedert. Die Zusammenstellung dieser Module ergibt die modulare Struktur des Produkts (mittlerweile auch Produktarchitektur oder auch Systemarchitektur genannt). Die Module werden dann etwas detaillierter zu Vorentwürfen gestaltet. In der Regel fängt man dabei mit den maßgebenden Systemen an, also mit Maschinenelementen die andere Maschinenelemente zum Beispiel in deren Abmessungen beeinflussen. Beispielsweise beeinflusst in der Regel ein Zahnrad die vorläufige Dimensionierung der Welle, die ja das Zahnrad trägt. Das Zahnrad ist also „maßgebend“ für die Welle. Die so entstandenen Vorentwürfe (neu: Teilentwürfe) sind in einen Gesamtentwurf zusammenzufassen.

Ausarbeitung: 3D-Modellierung

Unter Ausarbeitung wird die 3D-Modellierung der herzustellenden Teile und Baugruppen sowie die Bereitstellung der Fertigungsinformationen, Stücklisten etc. verstanden. In der Regel gelingt das optimale Produkt nicht gleich, sondern es sind mehrere Durchläufe durch Abbildung 1 („Schleifen“) notwendig. Es wechseln sich ständig Synthese (Vorstellung, Zeichnung) und Analyse (Berechnung, Versuch, Bewertung …) ab und beeinflussen sich gegenseitig (Ehrlenspiel & Meerkamm, 2017).

Zur Absicherung des Entwicklungsprozesses dienen digitale und physikalische Modelle des Produktes also Prototypen, die auch den Entwicklungsstand dokumentieren und für digitale oder physikalische Simulationen und Prüfungen zur Verfügung stehen.

Klassifikation reduziert Komplexität

Eine Maßnahme zur Verringerung der Komplexität bei der Suche nach Lösungsprinzipien ist die Zuordnung zu vorhandenen Produktgruppen (Klassifikation). Solche Produktgruppen funktionieren auf ähnliche Weise und können somit auf ähnliche Art konstruiert und produziert werden. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt dass hier auch andere Möglichkeiten zu Klassifikation möglich sind (Ehrlenspiel & Meerkamm, 2017).

Ganz besonders bei Neukonstruktionen hat sich beim Suchen der Lösungsprinzipien für das Produkt der Ansatz "Denken in Systemen" bewährt. Hiermit gelingt es, das Wesentliche vom Unwesentlichen zu trennen und somit ein Problem erst einmal zu verstehen. Das zu lösende Problem wird dabei in die in Abbildung 2 angedeuteten Grundelemente zerlegt: die Umwelt, das System, seine Teilsysteme innerhalb der Systemgrenzen, den Eingang, den Ausgang, und die Beziehungen (Relationen) zwischen den Teilsystemen.

Abbildung 2: Denken in Systemen mit dem Ziel das Problem in Teilsysteme aufzuteilen: Die Bestandteile eines Systems.
Abbildung 2: Denken in Systemen mit dem Ziel das Problem in Teilsysteme aufzuteilen: Die Bestandteile eines Systems.
( Bild: Eigene Darstellung nach Ehrlenspiel & Meerkamm, 2017 )

Systembetrachtungen erlauben eine große Bandbreite von Anwendungen

Jedes System kann als Teilsystem eines übergeordneten Systems verstanden werden. Außerdem kann jedes Teilsystem weiter aufgeteilt werden. So lässt sich auch ein Werkstoff als System bestehend aus den Teilsystemen Moleküle verstehen. Die Systemgrenzen der (Teil-)Systeme und die Eingangs- sowie Ausgangsgrößen sind in Abhängigkeit von der Anwendung festzulegen. Es entstehen Beziehungen mit Ein- und Ausgangsgrößen zwischen den Kästchen, die auch Black Boxes genannt werden.

Solche Systembetrachtungen erlauben eine recht große Bandbreite von Anwendungen (Ehrlenspiel & Meerkamm, 2017). Hier soll die Systembetrachtung genutzt werden, um die funktionale Struktur des Produktes zu erarbeiten, um nicht vielleicht eine wichtige Funktion einfach zu übersehen.

In Falle der Konstruktion des Ein-Hand-Tür-Schließsystems kann übrigens von einem soziotechnischen System gesprochen werden. Hier gibt es nämlich noch das "Teilsystem" Mensch, das das Produkt betätigt, überwacht, regelt, instand hält oder Ähnliches (Ehrlenspiel & Meerkamm, 2017).

Festlegung der Eingangs- und Ausgangsinformationen

Zur Festlegung der Eingangs- und Ausgangsinformationen ist auch die Definition nach (Fleischer & Theumert, 2018) hilfreich. Häufig kommen bei dieser Betrachtung auch ganz neue Anforderungen zum Vorschein:

  • Eingang/Input: Alles (Stoff, Energie, Information), was von außen in das System gelangt und das zum erwünschten Output gewandelt wird.
  • Ausgang/Output: Alles Erwünschte (Stoff, Energie, Information), das das System aus dem Input erstellt.
  • Emission: Alle denkbaren unerwünschten Einflüsse auf die Umwelt, die bei der Gestaltung des Produktes berücksichtigt werden müssen (Sicherheitsaspekte wie z.B. Quetschgefahr).
  • Immission: Alle denkbaren Einflüsse der Umwelt auf das zu konstruierende Produkt. Hierzu zählen auch Vorschriften von Behörden.

Auf Anforderung folgt Gesamtfunktion

In der Praxis ergibt sich aus einer Anforderung eine notwendige Gesamtfunktion (z.B. Steinblock heben) (Abbildung 3). Diese Gesamtfunktion wird dann erfüllt durch kombinierte Teilfunktionen, z.B. "Eingangskraft übernehmen" (Wie kommt die Kraft in das System hinein, gibt es einen Griff ?). Weitere Teilfunktionen sind: "Kraft vergrößern" und "Kraft auf Steinblock übertragen".

Abbildung 3: Finden von Lösungen (vom Abstrakten zum Detail).
Abbildung 3: Finden von Lösungen (vom Abstrakten zum Detail).
( Bild: Stefan Dietz (nach Pahl, Beitz, Feldhusen, & Grote, 2013) )

Jede dieser Teilfunktionen kann wiederum durch verschiedene prinzipielle Lösungen, also Teillösungen, realisiert werden (Abbildung 3). Wie diese Teilfunktion umgesetzt werden, wie die Teillösung aussehen kann, entspringt Ihrer Fantasie, möglicherweise angeregt durch Konstruktionskataloge (Roth, 2012) oder die Scamper-Methode (Lautenbacher, 2011). Ein hier auf jeden Fall nützliches Werkzeug sind 3D-Handskizzen. Schon allein beim Skizzieren entwickelt sich Ihre Idee immer weiter.

Kombinationen prinzipieller Lösungen ergeben Gesamtlösungen

Jede der gefundenen prinzipiellen Lösungen, z.B. Nutzung eines Hebelarms, kann auf unterschiedliche Art in seiner Geometrie (z.B. Brecheisen, Flaschenzug) und stofflich gestaltet werden usw. Die verschiedenen Kombinationen der prinzipiellen Lösungen ergeben die verschiedenen Gesamtlösungen. Die werden schließlich einer Bewertung unterworfen werden, damit die Weiterentwicklung nur mit einer oder einer geringen Zahl von Gesamtlösungen erfolgen kann. Übrigens können sich auch durch die Neukombination von Lösungsmöglichkeiten aus eigentlich nicht gut abschneidenden Gesamtlösungen erfolgversprechende Ansätze ergeben. Deswegen ist es sinnvoll, möglichst viele Kombinationen bis zur endgültigen Auswahl weiterzuentwickeln.

Tabelle 2: Morphologischer Kasten: Prinzipielle Lösungen einzelner Teilfunktionen lassen sich zu verschiedenen Gesamtlösungen kombinieren
Tabelle 2: Morphologischer Kasten: Prinzipielle Lösungen einzelner Teilfunktionen lassen sich zu verschiedenen Gesamtlösungen kombinieren
( Bild: Stefan Dietz (nach Pahl u.a., 2013) )

Der morphologische Kasten als Hilfsmittel

Ein Hilfsmittel zur Kombination von Teillösungen zu Gesamtlösungen ist der Morphologische Kasten, in dem dann je Zeile für eine gesuchte Teilfunktion Fn die verschiedenen möglichen Teillösungen Lij genannt werden (Tabelle 2)(Pahl et al., 2013) .

Der Konstrukteur kombiniert dann jeweils eine Lösung für eine Funktion mit einer Lösung für eine andere Funktion. Graphisch werden die ausgewählten Lösungen jeweils mit einem Punkt gekennzeichnet und über Linien verbunden. Über alle Zeilen ergibt sich dann eine Gesamtlösung 1 wie in Tabelle 2. Eine Alternative wäre Gesamtlösung 2.

Tabelle 3: Bewertungsschema zur Auswahl der weiterzuentwickelnden Gesamtlösung (Variante)
Tabelle 3: Bewertungsschema zur Auswahl der weiterzuentwickelnden Gesamtlösung (Variante)
( Bild: Stefan Dietz )

Nutzwert-Analyse für die Bewertung

Im Rahmen einer Nutzwert-Analyse lassen sich die verschiedenen Gesamtlösungen mit für alle Gesamtlösung gleichen Bewertungskriterien bewerten. Häufig werden aus den Anforderungen die Bewertungskriterien erarbeitet und dann deren Wichtigkeit, für alle Gesamtlösungen gleich, festgelegt (Gewichtung G). Für jede einzelne Gesamtlösung ist der Erfüllungsgrad E zu bestimmen (wie gut ist dieses Bewertungskriterium bei dieser Gesamtlösung umgesetzt worden).

Das Produkt aus Gewichtung G und Erfüllungsgrad E ergibt das Ergebnis der Bewertung für dieses Kriterium, quasi den Teil-Nutzwert. Fasst man alle Teil-Nutzwerte für eine Gesamtlösung zusammen, erhält man für die jeweilige Gesamtlösung einen numerischen Wert, der für Vergleiche herangezogen werden kann. Die Gesamtlösung (auch genannt: Variante), die den höchsten Gesamtnutzwert erhält, wird weiterentwickelt (Pahl et al., 2013). Beachten Sie bitte, die Summe aller Gewichtungsfaktoren G darf 1 nicht überschreiten, ändern Sie gegebenenfalls die Gewichtungsfaktoren ab (vgl. Tabelle 3).

Variante 2 ist in Tabelle 3 mit dem Wert 40 höher bewertet worden als Variante 1 mit 20. Aus diesem Grunde sollte Variante 2 weiterentwickelt werden.

Bewertung zeigt Vor- und Nachteile

Bei der Bewertung werden die Vor- und Nachteile, der Nutzen und Aufwand der einzelnen Lösungsvarianten sichtbar und liefern die Grundlage für die nachfolgende Entscheidung, welche Lösungsvariante ausgewählt und weiterbearbeitet werden soll. Rücksprünge und Wiederholung bereits erfolgter Schritte sind erlaubt und sogar erwünscht, um sich nach und nach an das Optimum heranzutasten. Jedoch sollten die Rücksprünge und Wiederholungen aufgrund von entdeckten Schwachstellen und Fehlern auf die frühe Produktentwicklung beschränkt bleiben, da deren Beseitigung im Verlauf der Produkterstellung progressiv teurer wird. Die „Rule of ten“ von Clark & Fujimoto (Clark & Fujimoto, 1992) (frei übersetzt: Zehnerregel) besagt in diesem Zusammenhang, die Korrektur eines Denkfehlers kostet:

  • in der Konzeptphase z.B. 10 €,
  • bei einer Entwurfsänderung 100 €,
  • in der Produktionsvorbereitung 1000€,
  • beim Serienanlauf 10 000 € und beim Kunden (Rückrufaktion) 100 000€.

Ergänzendes zum Thema

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